JPH05117081A - 分子線結晶成長装置及び該装置を用いた分子線結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、分子線結晶成長装置及び該装置を
用いた分子線結晶成長方法に関し、基板温度を低く維持
して結晶成長を行う場合に於いても、放射型温度計に依
って正確な基板温度を測定できるようにする。 【構成】 基板加熱ヒータ３３及び基板４１を保持する
ホルダ３２の間に基板加熱ヒータ３３からの輻射を遮断
するチョッパ３７を配設し、基板４１が発生する赤外線
が入射する位置に放射型温度計３５を配設し、放射型温
度計３５と接続され且つチョッパ３７が基板加熱ヒータ
３３からの輻射を遮断する周期と同期して検波を行う位
相検波増幅器３６を配設してあり、それに依って得られ
る温度測定結果をもとにして基板４１の温度制御を行い
つつ分子線結晶成長を行うようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、任意の品質の結晶を制
御性良く成長するのに好適な分子線結晶成長装置及び該
装置を用いた分子線結晶成長方法に関する。

【０００２】一般に、分子線エピタキシ法は、超高真空
中におかれ、且つ、適切な温度に加熱された基板に対
し、高温に加熱された分子線源セルから所望の半導体結
晶を構成する為の元素を照射して結晶膜として成長させ
る真空蒸着法の一種と考えて良く、現在、それに依って
得られる半導体結晶膜は、実用上で問題がない程度に品
質は向上している。然しながら、その用途に依って、半
導体としては品質が低いもの、例えば、高抵抗のものを
意図的に成長させたり、勿論、更に高品質のものを成長
させたりする制御を容易に行うことができるようにしな
ければならない。

【０００３】

【従来の技術】近年、分子線エピタキシ法を実施する場
合、基板をＩｎソルダでブロックやホルダに貼着するこ
とを止め、Ｉｎソルダ・フリーのホルダにセットするこ
とが行われている。Ｉｎソルダ・フリー法は、基板の取
り扱いが簡単で、且つ、裏面を汚さずに成長を行うこと
ができることから、成長された結晶に悪影響がなく、そ
の後のデバイス作成プロセスが容易である為、将来に亙
って不可欠な技術となりつつある。

【０００４】ところで、分子線エピタキシ法では、基板
に成長しつつある結晶の表面温度は大変重要なパラメー
タである。その理由は、分子線源セルから基板に到達し
た構成原子或いは分子の基板表面に於ける動力学、換言
すると、マイグレーションの量を決定し、この原子或い
は分子の運動が成長された結晶の品質を大きく左右する
からである。

【０００５】前記したＩｎソルダ・フリー法に於いて
も、当然、結晶の表面温度を知得する為の作業は実施さ
れていて、基板のホルダ内に配置された熱電対を用い、
基板の大まかな温度を基板加熱用ヒータと基板との間で
測定している。然しながら、この方法では、真の基板表
面温度を測定できないばかりか、熱電対の位置が僅か変
化しても指示温度が大きく変化する旨の好ましくない現
象が起こる。

【０００６】この熱電対を用いる手段に対し、比較的安
定で、且つ、基板表面温度を測定し得る従来の技術とし
て、赤外線パイロスコープと呼ばれる放射型温度計に依
る温度モニタの方法がある。

【０００７】図３は放射型温度計に依る温度モニタを行
う分子線結晶成長装置の要部説明図を表している。図に
於いて、２０は成長室、２１は基板ホルダ、２２は基板
加熱ヒータ、２３は覗き窓、２４は放射型温度計、２５
は基板をそれぞれ示している。この装置では、加熱され
た基板２５から熱放射される特定波長領域の赤外線を覗
き窓２３を介して放射型温度計２４で検知し、光電効果
を利用して電流に変換してから温度に換算するようにし
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３について説明した
放射型温度計に依る温度モニタは、熱電対に比較すると
優れているが、この方法では、他の赤外線発生源から赤
外線が入射する場合に正確な温度測定を行うことができ
ない。

【０００９】例示した分子線結晶成長装置に於いては、
当然のことながら、基板加熱ヒータ２２自体から赤外線
が発生し、その赤外線も放射型温度計２４に入射するこ
とになる。特に、Ｉｎソルダ・フリー法に依って基板２
５が保持されている場合、基板２５の裏面に輻射の遮蔽
物が存在しないから、基板加熱ヒータ２２で発生する赤
外線は基板２５を透過して放射型温度計２４に入射して
くるので、温度測定に対する擾乱となる。これを更に詳
細に説明すると、一般に、半導体基板は、その禁制帯幅
よりエネルギが高い、即ち、波長が短い光を吸収し、エ
ネルギが低い、即ち、波長が長い光を透過する。通常、
基板加熱用ヒータ２２から放射される光は赤外光から可
視光に亙る広い波長分布をもっていて、そのような光の
うち、基板２５の禁制帯幅よりエネルギが低い光が基板
２５を透過して表面から放射される。即ち、基板２５が
加熱されることに依り、それ自体から輻射する赤外線の
他に基板加熱ヒータ２２からの赤外線も加わって放射型
温度計２４に入射する。従って、基板２５の表面温度を
正確に測定することができない旨の問題がある。

【００１０】但し、基板２５の加熱を続けた場合には、
前記問題が消滅することもある。即ち、放射型温度計２
４は、その検出素子の種類で決まる特定の波長領域で感
度をもっている。また、半導体の禁制帯幅は温度に依っ
て変化し、一般には温度の上昇に伴って狭くなる。従っ
て、半導体の温度が上昇すると、透過可能な光の波長は
長くなる。そこで、透過し得る最短の波長の光が、検出
素子が感度をもつ波長領域に比較して長くなれば、前記
の問題は解消される。即ち、加熱された基板２５自体の
輻射に依る赤外線のみが検出素子の有感度波長領域に入
り、基板２５を透過した基板加熱ヒータ２２からの赤外
線は検出素子の有感度波長領域から外れるからである。

【００１１】ところで、近年、超高速半導体デバイス実
現の要求が強く、多種多様な高品質半導体結晶が必要と
され、通常、このような半導体結晶は、様々な種類の半
導体からなる薄膜を組み合わせることで作られている。

【００１２】このような半導体結晶を用いる代表的なも
のは化合物半導体を材料とする集積回路であるが、その
場合には、基板と能動層とを電気的に絶縁することが重
要になる。この為、基板と能動層との間に高抵抗の緩衝
層が介挿される。分子線エピタキシ法で成長させる化合
物半導体結晶であり、且つ、多用されているＧａＡｓを
例に採ると、通常の成長温度である６００〔℃〕〜６５
０〔℃〕よりもかなり低い温度である１５０〔℃〕〜２
００〔℃〕で成長を行うと高抵抗化したもの、即ち、キ
ャリヤをトラップすることが可能なＧａＡｓ層を得るこ
とができる。然しながら、そのようなＧａＡｓ層を形成
し、基板の能動層との電気的絶縁を行う効果を充分に発
揮させるには、その成長温度に対する依存度が大変に敏
感であることから、前記したような低い温度領域で正確
な基板温度制御が必要となってくる。ところが、そのよ
うに低い温度で基板温度の測定を行うには、前記した理
由に依って、放射型温度計で温度モニタすることは不可
能である旨の問題がある。

【００１３】本発明は、基板温度を低く維持して結晶成
長を行う場合に於いても、放射型温度計に依って正確な
基板温度を測定できるようにする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理を説
明する為の分子線結晶成長装置を表す要部説明図であ
る。図に於いて、１は分子線結晶成長装置に於ける成長
室、２は基板ホルダ、３は基板加熱ヒータ、４は覗き
窓、５は放射型温度計、６は位相検波増幅器、７はチョ
ッパ、８は基板をそれぞれ示している。

【００１５】この分子線結晶成長装置に於いて行われる
結晶成長プロセスは通常の場合と変わりないが、基板８
の温度モニタには全く新しい手段を採っている。即ち、
基板加熱ヒータ３に通電すると赤外線が輻射されること
は勿論であるが、その赤外線は所定の周波数で動作する
チョッパ７でチョッピングされてから基板８の裏面に到
達するようになっている。また、温度をモニタする為の
放射型温度計５に接続された位相検波増幅器６は、その
検波用参照信号をチョッパ７から取り出し、そして、検
波周波数をチョッピングの周波数に設定するようにして
いる。

【００１６】従って、位相検波増幅器６は、基板加熱ヒ
ータ３から基板８に向けて放射される赤外線がチョッパ
７に依って遮蔽された時のみ、基板８の表面から放射さ
れている赤外線に対応した信号を選択的に増幅すること
になる。

【００１７】前記したところから、本発明に依る分子線
結晶成長装置及び該装置を用いた分子線結晶成長方法に
於いては、

【００１８】（１）成長室（例えば分子線結晶成長装置
の成長室３１）内に配設された基板加熱ヒータ（例えば
基板加熱ヒータ３３）及び基板（例えば基板４１）を保
持するホルダ（例えば基板ホルダ３２）の間に配設され
て基板加熱ヒータからの輻射（赤外線）を遮断するチョ
ッパ（例えばチョッパ３７）と、前記基板加熱ヒータで
加熱される基板の温度を測定する為に基板が発生する赤
外線が入射する位置に配設された放射型温度計（例えば
赤外線パイロスコープ３５）と、前記放射型温度計と接
続され且つチョッパが前記基板加熱ヒータからの輻射を
遮断する周期と同期して検波を行う位相検波増幅器（例
えば位相検波増幅器３６）とを備えてなるか、或いは、

【００１９】（２）成長室内に配設された基板加熱ヒー
タからの輻射をチョッパで遮断して基板に伝わらない状
態を周期的に出現させ、その状態のときのみ検波を行う
位相検波増幅器に接続された放射型温度計で前記基板の
温度を測定し、その温度の測定結果に基づいて基板の温
度制御を行いつつ前記基板上に分子線結晶成長を行うこ
とを特徴とする。

【００２０】

【作用】前記手段を採ることに依り、分子線結晶成長
中、基板の温度、従って、結晶表面の温度は、基板加熱
ヒータ自体からの輻射が伝わらない状態で測定され、従
って、擾乱を受けることなく正確に測定することが可能
であって、分子線結晶成長中に制御すべき重要なパラメ
ータである基板の温度制御を良好に実施することができ
るから希望通りの半導体結晶が得られ、特に、低温で成
長させなければならない半導体結晶の場合には有効であ
る。

【００２１】

【実施例】図２は本発明一実施例を説明する為の分子線
結晶成長装置を表す要部説明図である。図に於いて、３
１は分子線結晶成長装置の成長室、３２は基板ホルダ、
３３は基板加熱ヒータ、３４は覗き窓、３５は放射型温
度計である赤外線パイロスコープ、３６は位相検波増幅
器、３７はチョッパ、３８はチョッパ３７を駆動するモ
ータ、３９は信号線、４０は参照信号線、４１は基板を
それぞれ示している。

【００２２】図示例に於いて、基板ホルダ３２は例えば
Ｍｏを材料として構成され、同時に三枚の基板４１をマ
ウントすることができるものとする。基板加熱ヒータ３
３はＴａを材料として構成されている。覗き窓３４は溶
融石英を材料として構成されている。赤外線パイロスコ
ープ３５はＳｉを検出素子とし、０．６〔μｍ〕乃至
０．９〔μｍ〕の波長帯に感度をもつものである。位相
検波増幅器３６は所謂ロック・イン・アンプと呼ばれる
ているものである。チョッパ３７は、その中心角が１２
０°を成している扇形の板で構成されている。基板４１
はＧａＡｓ基板であるとする。

【００２３】今、三枚のＧａＡｓ基板４１に低温でＧａ
Ａｓを成長させて高抵抗ＧａＡｓ層を得る場合について
説明する。赤外線パイロスコープ３５の集光範囲を複数
枚のＧａＡｓ基板４１のうちの一枚に絞る。基板加熱ヒ
ータ３３に通電すると共に基板ホルダ３２と基板加熱ホ
ルダ３３との間に在るチョッパ３７を一定回転数で回転
させる。すると、赤外線パイロスコープ３５の集光範囲
内に絞り込まれた所定の基板４１の裏面はチョッパ３７
に依って一定の周期で完全に覆われ、従って、その間は
基板加熱ヒータ３３からの赤外線は基板４１に到達しな
い。換言すると、その時間に赤外線パイロスコープ３５
に到達するのは基板４１の表面から放射され、且つ、殆
ど擾乱を受けていない赤外線のみである。

【００２４】赤外線パイロスコープ３５に接続された位
相検波増幅器３６に於いては、チョッパ３７が基板加熱
ヒータ３３を覆っている状態のときのみ基板４１からの
赤外線を検出できるようにする為、その検波周波数をチ
ョッパ３７が回転して基板加熱ヒータ３３を覆う周期と
同じになるよう設定する。

【００２５】このようにして、ＧａＡｓ基板４１の温度
は殆ど擾乱を受けることなく正確に測定され、ＧａＡｓ
基板４１の温度制御は良好に行われた。その結果、得ら
れた高抵抗ＧａＡｓ層は設計通りの高抵抗性を示した。
尚、本実施例では、ＧａＡｓ基板４１を基板ホルダ３２
にＩｎソルダ・フリー法に依って保持した。

【００２６】前記実施例に於いては、チョッパ３７とし
て、その中心角が１２０°を成している扇形の板で構成
されたものを回転させるようにしているが、これは他の
構成のもの、例えば、カメラのシャッタ様のものであっ
ても良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明に依る分子線結晶成長装置及び該
装置を用いた分子線結晶成長方法に於いては、基板加熱
ヒータ及び基板を保持するホルダの間に基板加熱ヒータ
からの輻射を遮断するチョッパを配設し、基板が発生す
る赤外線が入射する位置に放射型温度計を配設し、放射
型温度計と接続され且つチョッパが基板加熱ヒータから
の輻射を遮断する周期と同期して検波を行う位相検波増
幅器を配設してあり、それに依って得られる温度測定結
果をもとにして基板の温度制御を行いつつ分子線結晶成
長を行うようにしている。

【００２８】前記構成を採ることに依り、分子線結晶成
長中、基板の温度、従って、結晶表面の温度は、基板加
熱ヒータ自体からの輻射が伝わらない状態で測定され、
従って、擾乱を受けることなく正確に測定することが可
能であって、分子線結晶成長中に制御すべき重要なパラ
メータである基板の温度制御を良好に実施することがで
きるから希望通りの半導体結晶が得られ、特に、低温で
成長させなければならない半導体結晶の場合には有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する為の分子線結晶成長装
置を表す要部説明図である。

【図２】本発明一実施例を説明する為の分子線結晶成長
装置を表す要部説明図である。

【図３】放射型温度計に依る温度モニタを行う分子線結
晶成長装置の要部説明図である。

【符号の説明】

１ 分子線結晶成長装置に於ける成長室 ２ 基板ホルダ ３ 基板加熱ヒータ ４ 覗き窓 ５ 放射型温度計 ６ 位相検波増幅器 ７ チョッパ ８ 基板 ３１ 分子線結晶成長装置の成長室 ３２ 基板ホルダ ３３ 基板加熱ヒータ ３４ 覗き窓 ３５ 放射型温度計である赤外線パイロスコープ ３６ 位相検波増幅器 ３７ チョッパ ３８ チョッパ３７を駆動するモータ ３９ 信号線 ４０ 参照信号線 ４１ 基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成長室内に配設された基板加熱ヒータ及び
   基板を保持するホルダの間に配設されて基板加熱ヒータ
   からの輻射を遮断するチョッパと、 前記基板加熱ヒータで加熱される基板の温度を測定する
   為に基板が発生する赤外線が入射する位置に配設された
   放射型温度計と、 前記放射型温度計と接続され且つチョッパが前記基板加
   熱ヒータからの輻射を遮断する周期と同期して検波を行
   う位相検波増幅器とを備えてなることを特徴とする分子
   線結晶成長装置。
2. 【請求項２】成長室内に配設された基板加熱ヒータから
   の輻射をチョッパで遮断して基板に伝わらない状態を周
   期的に出現させ、 その状態のときのみ検波を行う位相検波増幅器に接続さ
   れた放射型温度計で前記基板の温度を測定し、 その温度の測定結果に基づいて基板の温度制御を行いつ
   つ前記基板上に分子線結晶成長を行うことを特徴とする
   分子線結晶成長方法。